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                3D 鍵合線建模和電磁仿真 加速 IGBT 模塊開發

                近日,國際電力電子行業領先期刊《Bodo’s功率系統》,刊發了賽晶科技旗下瑞士子公司SwissSEM 副總裁Raffael聯合發表的技術性文章《3D 鍵合線建模和電磁仿真 加速 IGBT 模塊開發》。


                文章重點闡述了借助最新MFis Wire軟件工具,加快電磁模塊設計速度,并實現最高的芯片性能和最高的耐用性。


                SwissSEM作為賽晶科技旗下的一家新興科研公司,在短時間內高質量地將其首款產品推向市場至關重要,其目標是推出一種具有最佳電流一致性的模塊,以充分發揮最新研發的IGBT i20這一代產品優勢。

                 




                使用3D CAD創建鍵合線布局


                盡管當今的3D CAD系統已經可以很好地為電源模塊開發建立虛擬樣機并輸出必要的產品文檔,但3D模型往往不支持鍵合線建模。雖然可以使用一些弧線和線對單個鍵合線進行建模,但是對整個鍵合線布局進行建模卻非常耗時,因為鍵合線通常形狀各異。為了填補這一空白,MFis GmbH公司于2020年發布了第一版MFis Wire軟件,該公司面向電力電子封裝提供工程服務和工具。MFis Wire軟件用戶界面友好(如圖1所示),并且對楔形、帶狀和球形鍵合線的3D建模速度更快。通過選擇導線的起點和終點并交互式定義其回路形狀和底腳旋轉即可繪制接合線。許多CAD命令(例如復制、移動、鏡像、陣列)可用于修改一個或多個選定的鍵合線或鍵合點,例如可以用來調整一行鍵合線的間距。


                圖1:MFis Wire軟件:用于草繪ED型電源模塊的鍵合線布局


                該軟件可作為功能強大且價格合理的Rhino3D CAD平臺的插件。創建鍵合線布局也僅僅需要CAD建模的基本技能。簡短的介紹工作流程的培訓視頻可以指導用戶在短時間內創建第一條導線布局。3D模型完成后,可以將其導出為許多行業標準的CAD格式,或轉換為帶有鍵合點坐標的2D工程圖。借助Rhino3D強大的渲染功能,用戶可以輕松地創建功率模塊布局的逼真圖像(如下圖4所示)。



                幾何優化實現寄生參數快速提取


                3D鍵合線布局幾何形狀可以實現如下功能:文檔記錄、電-熱耦合有限元分析、寄生參數提取。根據目標用途,必須選擇不同的導線橫截面幾何形狀。出于文檔目的,圓形橫截面看起來最自然的,并且文件也最小。


                對于電-熱耦合有限元分析,導線的橫截面積非常重要。最佳選擇是橫截面積與原始導線相同的三角形橫截面,這種幾何形狀下網格剖分和計算非常高效,并且不會影響鍵合線溫度和電阻的有限元分析結果。


                對于寄生參數提取,橫截面形狀也很重要。如果使用圓形橫截面,那么寄生參數提取器的網格劃分器將通過多個有限元來逼近圓形。通常,當輸入的幾何形狀已經實現了近似時,可以在計算時間和精度之間取得更好的平衡。使用六角形導線橫截面可獲得較好的結果。


                我們對ED型模塊進行了焊線幾何建模和寄生參數提取,其鍵合線布局由165根導線組成,其中許多導線具有各自的形狀。在創建了可連接661個點的導線布局之后,我們將導線導出為具有圓形和六邊形橫截面的變體,并使用寄生參數提取器Ansys Q3D進行后續處理。圖2對比了具有圓形和六邊形橫截面的變體的網格剖分差異。對于圓形橫截面的鍵合線,網格劃分器采用了很多三角形單元來近似圓形,其效果較逼真,但是需要5.5小時才能收斂,而對于具有六邊形橫截面的幾何圖形,僅需要71分鐘即可收斂。同樣,圓形導線的22.3 GB內存消耗比六角形電線的11.4 GB同樣高出很多。然而,計算得到的模塊自感差異僅為0.1%。


                圖2:基于Ansys Q3D對具有圓形和六角形橫截面的鍵合線進行網格剖分的結果



                ED型模塊設計優化


                作為一家新興公司,對于SwissSEM Technologies AG而言,在短時間內高質量地將其首款產品推向市場至關重要。為了實現出色的器件性能,電磁和熱優化至關重要。行業標準的17毫米高、62 x 152毫米ED型IGBT模塊,其冗長的設計對IGBT之間的內部電流均流提出了特殊的挑戰。大多數經典布局或多或少都會面臨芯片之間電流不平衡的問題,我們的目標是推出一種具有最佳電流一致性的模塊,以充分發揮我們最新的IGBT i20這一代產品的優勢。


                圖3:不同布局和熱參考的均流效果比較


                借助MFis Wire軟件,我們能夠快速生成各種設計變體,包括鍵合線布局的變體。這有助于我們在Q3D中仿真變體的電磁耦合,并使用SIMetrix Spice仿真器對Q3D提取的電路模型進行開關仿真。這些仿真是更好地了解器件及其內部耦合的基礎。特別是對于導線位置和形狀的mm級別微小變化也會對上述耦合產生較大影響的場合。因此,使用Q3D中的鍵合線工具獲得簡化的幾何形狀效果非常有限。結合傳熱仿真,可以實現優化布局。從熱阻的角度來看,芯片位置的兩個變體都會得到相同的Rth。但是,與“經典布局”相比,“筆直布局”改善電流均流性能效果更好,特別是對于IGBT#3(如圖3所示),其連接離發射極更近。對于最終的布局優化,其旋轉了IGBT#3的柵極位置,并優化主發射極線和柵極線的布局(如圖4所示)。結果,電流不平衡從“經典布局”的30%減少到“優化的筆直布局”的17%。這對于改善IGBT內部負載平衡并同時提高IGBT芯片安全工作區的利用率至關重要。


                圖4:筆直布局(左),優化的筆直布局(右)



                結論


                當今用于熱和電磁仿真的仿真工具非常強大,可以明顯縮短開發時間并顯著提高IGBT模塊設計質量。但是為獲得最佳結果,有限元仿真的輸入必須盡可能地準確,且需反映最終實際產品的設計情況。特別是是對于諸如引線鍵合之類的復雜細節,其CAD建模繁瑣且復雜,乍一看簡單的簡化非常有利。但是,結果的準確性會受到簡化的影響,并且仿真工具的全部潛力沒有充分利用。


                借助MFis Wire軟件,可以大大縮短創建鍵合線布局復雜3D幾何模型的時間。在寄生參數提取器的輸入幾何結構中使用六角形導線橫截面,可以將計算速度提高四倍,這將有助于在一個工作日內實現對幾種布局變體的研究。SwissSEM所采用的這種方法使ED-Type模塊的內部電流均流性能比傳統的設計方法提高了近兩倍。


                文章地址:https://www.swiss-sem.com/creating-bond-wire-layouts-using-3d-cad

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